独立思考是突破颜值文化的唯一出路
古哥古点 2015年11月30日
《生命和链条》
1989年8月23日，波罗的海三国爱沙尼亚、立陶宛、拉脱维亚超过200多万的民众走上街头，他们每个人手牵着手组成一条长长的人链。这个绵延600公里的链条连接起三国的首都维尔纽斯、里加和塔林。牵手行动中，各地的广播居中协调，卡车等交通工具往来运输，最后实现了这条人类历史上著名的波罗的海之路（BolticWay）。当地人们的诉求是脱离苏联的统治，很快，苏联果然解体，波罗的海三国从此获得新的生命。今天我们的话题就和链条与生命有关。
波罗的海之路是发生于1989年8月23日的一次和平示威。大约有200万人加入这场活动，他们手牵手组成一个长度超过600公里的人链，穿过波罗的海三国。示威时间选择在1939年8月23日苏联和纳粹德国秘密签订的《苏德互不侵犯条约》生效50周年，旨在唤起世界各国共同关心三国被苏联占领的不公正命运。
[Source: gamechangerfilm]
宇宙中有上百种元素，在所有的元素中，哪一种才是最重要的呢。这个问题面对不同的领域会有不同的答案，但毫无疑问的是，如果从生命的角度出发，最重要的元素就是碳。碳是生命的中心。
要理解碳元素的核心地位，首先要弄清楚什么是生命。这是一个古老的问题，到今天为止，它也只有一个大致的理解，没有一个清晰的定义。在众多的解释中，我倾向于认为生命就是一种允许恰当比例的变异发生的自发持续性信息复制现象。很显然，这个定义中排除了情感因素也排除了典型的物理框架，它把焦点对准了信息复制。这应该算是一种最为宽泛的生命理解，然而它其实是相当严格的。自发性排除了大量的外置复制，恰当的比例是很难掌控的，甚至信息复制行为的出现也不像想象般的容易。以地球生命为例，迄今为止，人们所掌握的也只是生命在发展出复制能力之后的演变知识，包括进化论和生物化学等，但对于原始生命是怎么诞生的，复制现象是怎么开始的，只有猜想没有解答。例如RNA世界假说把生命开始的形态设定为某种RNA，再往前RNA的出现途径就没有可靠的证据了。应该这样来说，除非人们能在实验室中再现自我复制现象的启动或者在外太空中发现自我复制的其他种子，否则很难说人们真正弄清楚了生命起源问题。
RNA世界假说
该理论认为地球上早期的生命分子首先以RNA形式出现，之后才有蛋白质和DNA。早期的RNA分子同时兼有类似DNA的遗传信息储存功能和蛋白质般的催化能力，这足以支持早期的细胞或前细胞生命的运作。
该学说1968年由卡尔·沃斯（Carl Woese）在所著的《遗传密码》（The Genetic Code）一书中首先建立，但名称有所不同。亚历山大·里奇也曾于1963年提出过类似想法。“RNA世界”一词是诺贝尔奖得主沃特·吉尔伯特（WalterGilbert）在1986年提出。
[Source: nptel.ac.in]
正因为这一空白，生命的起源连带生命的形式成为科幻小说里异彩纷呈的亮点。想象中的生命载体尽管五花八门，但主流科学界仍然认为从恰当环境中自发性的孕育自我复制现象是可能的，甚至是必然的。麻省理工大学的助理教授杰里米·英格兰（JeremyEngland）推导出一个新的公式。简单的来说，他认为所谓生命存在的意义就在于消耗掉尽可能多的能量。这种解释让很多人目瞪口呆，这不就等于说人活着就是为了吃饭嘛！成为吃货就是我们生命的全部价值。听到这么没有格调的为吃货背书的理论为什么心里感觉有些小激动呢？好了！严格的来说，这是热力学第二定律的一种推论。当一个开放性系统被较多的能量包围时，它必定要穷尽一切办法来尽可能快的消散掉多余能量，以使得第二定律要求的热平衡状态尽早出现。在所有的耗散可能方式中，制造出某种可复制的结构是最高效的策略，因为复制将使得消耗能量的单元数目快速增加，从而让能量耗散的速度大为提升。人类自工业文明以来对于能源使用量的激增可能就是英格兰理论的一种证明。从这个意义上来说，繁殖就是为了更快的走向灭绝。英格兰教授的公式给了生命起源一个理论上的信心，用他自己的话来说，“从一堆随机的原子开始，只要长时间的照射它，得到一颗种子丝毫不用惊讶！”
杰里米·英格兰（Jeremy England）
著名的“耗散驱动适应性”（Dissipation-driven adaptation）理论提出者。英格兰是美国麻省理工学院的统计物理学家，其观点可以用于解释生命的自发出现，进而完善相对论的启动机制。普利策奖得主，科学史家爱德华·拉森说，如果英格兰可以证明他的假设是真实的话，“他可能是下一个达尔文”。
[Source: Youtube]
然而，这仍然没有回答出生命到底是如何开始的。随着研究的深入，越来越清楚的一个推论是，如果这样的复制体存在的话，它最有可能是一种碳基物质，也就是以碳元素链条为基本结构的大分子复合物。地球上的所有生命莫不如此，地球外的可能生命也很难不如此。著名的科幻作家卡尔·萨根（CarlEdward Sagan）称自己为一个碳沙文主义者，就是这个含义，他曾倾向于认为不存在碳基以外的其他生命。
为什么会是这样？因为信息自发性复制现象的技术门槛非常高。一个分子如果能够在环境中装配自己，它的结构不太可能太过简单，像水、气体、普通的酸碱盐这样的常见小分子完全没有这种可能性。它们连信息编码的空间都没有，何谈复制呢！能够承担这一功能的分子的结构复杂度必然很高，目前在实验室里做出来的最短的可自我复制的RNA序列也含有165个碱基。这是一条长长的链条，即使它有可能进一步被缩短，但可以确信只有能够构建出相当长度链条的元素才能在生命萌生的竞赛中胜出。在现实环境中，这样的候选元素似乎只有一个，那就是碳。
卡尔·萨根（Carl Edward Sagan）
美国天文学家、天体物理学家、科幻作家和非常成功的科普作家。行星学会的成立者。萨根是天文生物学先驱，也是搜寻地外智慧生物项目（SETI）的创始人之一。他因撰写了多部优秀的科普图书及制作电视系列片而享誉全球。1980年的电视系列节目《宇宙：个人游记》在60多个国家有超过6亿人观看，配套发行的同名书籍成为纽约时报畅销书籍第一名70周。 生病期间撰写的《魔鬼出没的世界（TheDemon-Haunted World）》是分析批判伪科学的科普作品。其名著科幻小说《接触（Contact）》获得1998年雨果奖，1997年被罗拔·湛米基斯拍摄为同名电影。
[Source: Bio]
碳是一种特殊的元素，它由6个质子6个中子组成原子核，外面旋转着6个电子。根据键价理论，原子核外的电子由内至外按层排布，除第一层的容量为2个电子外，其余各层都以8为最大容量。每个原子按能级从低至高把电子依序填充到各层，并倾向于让最外层电子数保持在最大容量，一般来说也就是8。故此最外层上有接近8个电子的元素就容易抢夺别人的电子来凑足8；最外层仅有少量电子的元素就容易丢弃这些电子让满载的下一层成为最外层。氯化钠就是这样构成稳定晶体的，钠把自己的一个电子给了氯，让氯的外层电子数从7升为8，而钠在扔掉1个电子后，内侧8电子层成为最外层。如此彻底的电子转移形成了离子键，而当反应的双方抢夺电子的能力相当时，它们就会以共享电子对模式来共存，这被称为共价键。由此可见，共价键和离子键之间没有严格的界限，拔河双方的力量只要不是严格的对称，共价键其实都带有一定程度的离子性。
碳的电子数是奇妙的6，除了填满第一层轨道的2个电子外，最外层为4个电子，刚好处在8的中间态，所以对电子转移来说，碳是夺取无力弃之可惜，因此它往往会找到周围的四个电子组成四条共价键以满足8电子要求。共价键是通过共享电子对来连接两个元素或者两个基团，这好似一条相互牵引的手臂，于是碳就拥有着四条手臂。碳原子可以用两条手臂拉住左右相邻的各一个碳原子，以手牵手的方式组成一条长长的碳链。同时链条中的每个碳原子还有另外两条空闲的手臂可以使用。这好像两个挂钩，在上面可以挂载任何的原子、分子、离子或者官能团。一个节点四条手臂，这让碳具有了远超其他元素的像乐高积木一样的构造特性。这样的优势主要体现在三个方面。
碳（Carbon）
[Source: livescience]
首先是碳结构的任意性。就像刚才所说的波罗的海之路的人链一样，当每个人有两个手臂时，很容易结成一根链条，但他们也只能结成一根线性的链条而不能是其他的结构，因为没有多余的手臂进行额外的连接。幸亏波罗的海之路上只有三国的首都，假如有更多的城市组成一个不能一笔画的道路图，这些抗议的人民就很难办了。但如果每个人有四条手臂的话，情况就会完全不同。很容易想象，更多的边可以组成网格、环路，或者其他各种复杂的树状结构，而两棵复杂的树还可以在彼此任何一个节点处进行插入和替换，这种造型能力几乎是无限的。事实上也正是如此，有机化学中的碳基分子构型千奇百怪，如果没有碳结构的任意自由的构造能力是不可能做到的。结构的复杂性保证了信息编码与复制功能产生的可能性。
碳的同素异形体。碳元素的灵活建构能力允许其组成类型丰富的大分子。
[Source: Science ABC]
其次，挂钩是很重要的。碳链本身只是一种骨架，真正用处大的往往是挂钩上挂搭的官能团。例如DNA的碳链上挂有用以相互配对的碱基，如果没有碱基，复制是不可能进行的；糖、蛋白质等物质的能量释放与储存机制也要依靠挂钩。水是一种非常稳定的化合物，绿色植物在光合作用下利用阵发的太阳能将牢固的氢原子与氧原子的连接切断，这释放出异常活跃的氢原子还有氧气。不安分的氢元素刚要裹挟着太阳光能横冲直撞，光合作用马上就把它封装在了自己的生产流水线碳链条上，这样氢元素含有的能量就作为势能被储存在碳氢键中。这个过程制造的产品就是糖。稍后，当动物或人吃掉植物时，糖进入体内。随着呼吸获取的氧气的到来，氧原子把氢原子从糖的碳链上摘取下来重新结合为水。当氢被从碳链上卸下之时，原先封存其中的巨大势能得以释放，用来供给身体的需要，这就是整个能量通货的储存使用过程。可以这样来比喻，氢元素就是多动而充满能量的小孩，一开始他们和“氧”老师呆在一个班里，不能乱动。随着放学铃声的响起，相当于光合作用中的能量输入，小孩的活性准备开始释放，但是马上他们却被门口的校车接走，安排到了一个个座位上。此时他们虽然浑身是劲，却只能呆在校车上。这些叫做碳链的校车开到了目的地，小孩们终于可以下车活动一展身手，而最后他们又被氧老师重新带走。实际上，我们在生活中更熟悉的一种碳氢化合物的能量释放方式是燃烧，当你使用天然气时，整个过程的本质和前面所说的原理大体类似。只不过燃烧是一种剧烈的反应，持续时间短，能量密度高。我们的身体更需要缓释型的能量来平稳持续的供应人体组织，此时一条长长的碳链所携带着的氢就显出了优势。它可以在酶的催化下，缓慢的燃烧，一点点的让氢脱离骨架供应能量。这类似于让校车里的小孩从车门口逐次下车，而剧烈的燃烧则是放学后让所有的孩子一股脑的涌出校门，显然前者要更有秩序更加平稳。作为骨架的碳链本身和氧气也可以结合释放能量，这同样也是一种燃烧，只不过和挂钩上的氢元素相比，碳链自身的能量密度要低得多，故此它主要还是提供结构的支撑作用，而不是储能。这就是为什么天然气比石油的热效率高，而石油又优于煤炭的缘故，因为含氢比例是天然气高于石油，石油高于煤炭。
光合作用（Photosynthesis）和细胞呼吸作用（Cellular respiration）
绿色植物通过光合作用将光能转存在从二氧化碳捕捉的碳所搭建的葡萄糖（Glucose）的碳氢键之中，同时释放出氧气。呼吸作用利用获取的氧气卸下氢元素，二者结合为水，而释放的能量用来补充ATP的能源。同时碳链被氧化成为二氧化碳排出体外。
[Source: Import]
还有一个方面赋予了碳元素独特的优势，那就是碳键的多样性，这导致了旋转构型。碳既然有四条手臂，就不是必然的非得用其中两条来成链，用另外两条来当挂钩。它完全可以用两条手臂来拽住同一个碳原子形成所谓的双键。在化学符号上，双键被表示为两条平行短线，这容易给人们造成一个假象，好像双键是一般粗细的两条胳膊。其实不然，这两条胳膊，一条如同右臂，非常的粗壮；另一条如同左臂，相对的纤弱。在化学上，强壮的共价键叫做σ键，细弱的共价键叫做π键。为什么两条手臂会不均匀呢？我们都知道，原子核外的电子并不是如同绕着恒星转动的行星，也不存在所谓的轨道（orbit）。事实上，行星轨道之类的电子的模型是量子力学出现之前的想象。后来的人们只是遵循习惯沿用了轨道一词，为了区分也做了微小的调教叫做（orbital）。轨道是电子处在单一量子态的一个独立空间，任何一条轨道内不会有两个完全相同量子态的电子共存，这叫做泡利不相容原理。轨道是电子波函数的表示，它的形状如同一朵云团，大体对应着电子出现的概率密度。这样，电子的能级与轨道计算就成了名副其实的云计算，因为需要算出电子云的形状。对含有多个电子的原子来说，其原子云内部有许多的小云团称为电子亚层，也就是轨道，比如s、p、f、d轨道等等。能量越低的轨道，其小云团的尺寸就越小，而不同的小云团的外形也不一样，比如s轨道是球形，p轨道是沿着三个坐标轴分布的三种哑铃形。由于泡利不相容原理的存在，电子要在这些小云团之间挤来挤去，同时还要兼顾伸展的均衡性，这就让一个原子在整体上的电子云和天上的云一样变化多端。应对这种变化有两种处理方式，一种是在经验规则下直接以原子轨道的相互杂糅为模式，另一种以分子轨道为整体对象，视其为原子轨道的线性组合。这两种方式各有优缺点，但都属于近似计算。
电子的s、p、d、f轨道。其花瓣数分别是1、2、4、8，而对称轴数分别是1、3、5、7。任何一个轨道内只能填充自旋相反的一对电子。由于轨道杂化现象的存在，让电子有可能同时把上面的几条轨道重新糅合成一条新的轨道，这让电子分布的计算变得较为复杂。而事实上，轨道杂化只是一种对实验结果的近似处理模型，完整的计算还要依赖量子力学给出的方法。
[Source: Chemistry Stack Exchange]
简单的来说，按照一般规则，电子应该依能量高低逐步的填满那些小云团。然而，电子并不总是遵守秩序的，它们有时又会倾向于把小云团打乱，制造出新的却更加均匀的大云团，这叫做轨道杂化。甲烷的正四面体结构就是杂化的产物。有时，杂化并不在各个坐标方向同时发生，部分云团被杂化，另一些依然保留着原先的小云团形态。从量子力学的观点来看，化学键就是电子云的重叠，因为是共享的电子把两个原子粘合在一起的。当两个p轨道的哑铃形云团彼此靠近时，它们远端的电子云交叠形成了π键，而当完全是轴对称的两个电子云交叠时，形成的是σ键。交叠云的大小决定了键的强弱，所以充分相交的σ键远比少量相交的π键更为强固。这里，也可以顺便解释一下为什么键价理论中原子的最外层都得是8个电子。8个电子来自于s轨道和p轨道的容量总和。s轨道是球形，可以填入一对自旋相反的电子；p轨道是沿着三个坐标轴分布的三个哑铃型，可以填入3对相反自旋的电子，故此共计8个。由于电子排布规则要求主量子最小化，每当更大容量的d轨道和f轨道即将暴露在最外侧时，s轨道和p轨道一定已经出现在更靠外的地方，所以最外侧始终是8个电子。
σ键和π键
上述图形展示的是乙烯的化学键。（a）图中两朵轴对称的s轨道黄色电子云交叠的部分形成σ键，（b）图中两朵p轨道紫色电子云的交叠部分形成π键（注意图形上的上下两处连接其实是同一条π键）。
[Source: Imgur]
如果不理解这个过程也没有关系，你只要记住双键是两条粗细不一样的手臂即可。这有什么用呢？还是给大家举个例子。1993年9月13日，这是巴以和谈艰辛历程中最接近成功的一次。时任以色列总理拉宾和巴解组织领袖阿拉法特一笑泯恩仇，在白宫第一次握起了手。善于捕捉细节的人也许会注意到，拉宾笑的并不是那么自然，或者说几乎没有笑，因为他最初并不想与会。就在几个月之前，美以政界还普遍的视流亡突尼斯的阿拉法特为恐怖组织头子，但为了达成历史性的和解和成就克林顿的促谈功绩，会谈依旧进行了。以色列和美国方面觉得握手是可以的，但他们特别担心以拥抱和接吻出名的阿拉法特会给拉宾来一个熊抱甚至舌吻。为了避免这一幕的出现，幕僚们特别想到了一个预防的方法，就是在两个领导人右手相握时，同时用左手牢牢的握在阿拉法特的右臂上方。这样他就是想拥抱也不成了，因为手臂被固定在一个特定的角度，形成了双键。碳链的双键也是如此，如果只有单键，两边的基团是可以任意扭转的，但用了双键连接后，旋转便无法进行。共价键和双键乃至三键的多样化存在为许多碳基化合物提供了固定的角度，比如糖都是右旋的，氨基酸都是左旋的。这样的旋转构型称为手性，其对于酶在化学反应发生时识别特定基团提供了关键的特征，分子的手性匹配就像是钥匙和锁的关系，这是别的非碳基化合物很难做到的。
1993年9月13日，拉宾与阿拉法特在美国白宫前握手。
[Source: Common]
在化学元素表中，硼元素、氮元素与碳相邻，然而尽管只是多了或少了一个电子，却都让它们无法拥有碳一般的构造性能。和碳位于同一族的硅元素与碳的性质最为接近，它的外层同样是四个电子能形成四个共价键，拥有四个挂钩。但问题是硅原子比碳原子的体积大出了许多，这让它们的挂钩表现的完全不同。C-C键的连接好似是两个人手牵手，而Si-Si键的连接则好像是两个姚明勾小手指。很明显，小挂钩连起的大块头是极不稳定的，也很难出现更加复杂的结构和旋转构型，所以硅氢化物的硅链长度最多超不过8，这对于生命来说太短了。硅的轨道杂化造就了硅氧键的牢固，所以形成的硅链往往会被氧所破坏，利用硅氧键构建链条倒是一种可能，这就是聚硅氧烷（Sillicone），但是要形成各种官能团，往往还得需要碳的参与。硅化学领域的研究大奖叫做基平（FredericStanley Kipping）奖，从1962年创立到现在，人们还没有获得任何一种可以和碳基物质相类似的具有生命潜力的硅基材料。
聚硅氧烷（Sillicone）
[Source: chem.libretexts.org]
碳链的长度保证了信息编码的储存空间，碳结构的任意性覆盖了复制所需的功能分子，碳键的多样性提供了充分的识别特征，碳与氢氧元素的互动成就了能量的循环。我们很难说自己是不是一个大碳主义者，尤其在科幻的圈子里，幻想总是嗜好打破一切的藩篱。当然如果连基本的物理常量如普朗克常数、真空磁导率都被设定为可以调整的话，那很自然的，多个电子腾云驾雾的本领就很难预料了。但至少在目前的物理常数丛林中，碳还是最奇葩的那一只花朵。就像萨姆·基恩（SamKean）所讲的，氮与碳相邻，然而碳能组成钻石，而氮只能为钻石增添一抹淡淡的粉红色。这样的钻石叫做香槟（Champagne），而碳是真正的冠军（Champion）。
香槟钻
[Source: Leibish]
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